第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号PPT课件

.,1,第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号,.,2,主要内容：,1GPS卫星的导航电文,2GPS卫星信号,3GPS卫星的位置计算,4GPS接收机工作原理,第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号,.,3,卫星信号的组成与测距原理,GPS信号包含有三种信号分量，即载波、测距码和数据码，在这三种分量中载波和测距码用于测量卫星到地面接收机之间的距离；而数据码则提供计算卫星坐标所需的参数，由卫星坐标和卫星到地面间的距离求得地面点的坐标。GPS测量是根据单程测距原理建立的，即用户只需通过接收设备来接收卫星发播的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位延迟，进而确定从观测站至GPS卫星间的距离，在这种系统中卫星信号的发射和接收，都是由原子钟来控制，所以，这就要求卫星和接收机两者的原子钟，应保持严格同步。,.,4,4.1.1GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。,4.1GPS卫星的导航电文,.,5,基本单位：1500bit的一个主帧（如图4-1所示）传输速率：50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。主帧：5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。,卫星导航电文,4.1.1GPS卫星的导航电文,.,6,卫星导航电文,4.1.1GPS卫星的导航电文,.,7,导航电文的结构,.,8,卫星导航电文内容,遥测字TLW(telemetryword),转换字HOW(how-handoverword),数据块,第一数据块，第一子帧,第二数据块，第二，三子帧,第三数据块，第四，五子帧,4.1.1GPS卫星的导航电文,.,9,卫星导航电文内容,.,10,遥测字(TLMTelemetryWord)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了个同步的起点，使用户便于解释电文数据。交接字(HOWHandOverWord），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六星期日子夜零时起算的时间计数它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6xZ。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。,.,11,第一数据块含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍于下：1电离层延迟改正数第7字码的第1724比特表示载波L1、L2的电离层时延差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。,4.1.2第一数据块内容,.,12,2数据龄期AODC第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第18比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知AODCtoc-tl(4-1)式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。,4.1.2第一数据块内容,.,13,3.星期序号WN表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。4.卫星钟改正参数a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数tta0十a1(ttoc)十a2(ttoc)2(4-2),4.1.2第一数据块内容,.,14,第二数据块包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据块一般称为卫星星历，其主要包括的参数及符号如表(p41)33所列。数据块二提供了用户利用GPS实时导航和定位的基本数据。,4.1.3第二数据块内容,主要参数分为三类（1）开普勒六参数（2）轨道摄动九参数（3）时间两参数,.,15,描述卫星的运行及其轨道的参数：,4.1.3第二数据块内容,.,16,1.开普勒六参数这6个参数为：a，e,i0,0,M0（其含义同3.4）。2.轨道摄动九参数这9个参数为：n，,，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis,3.时间二参数(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(2)星历表的数据龄期AODE，有：AODEtoe-t1式中tl为作预报星历测量的最后观测时间，因此AODE就是预报星历的外推时间长度。,4.1.3第二数据块内容,.,17,第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。1.第4子帧(1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第2532颗卫星的历书；(2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据；(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第2532颗卫星的健康状况；(4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页。,4.1.4第三数据块内容,.,18,2.第5子帧(1)第124页面给出第124颗卫星的历书；(2)第25页面给出第124颗卫星的健康状况和星期编号。在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATAID）；(b)第38比特为卫星识别（SVID）。第三数据块的作用当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。,4.1.4第三数据块内容,.,19,4.1.5Rinex导航文件内容,2.10NAVIGATIONDATAG(GPS)RINEXVERSION/TYPEDAT2RINW3.10001zfh05MAR0519:43:57PGM/RUNBY/DATECOMMENT.1024D-07.0000D+00-.5960D-07.0000D+00IONALPHA.9011D+05.0000D+00-.1966D+06.0000D+00IONBETA.000000000000D+00.266453525910D-145898241312DELTA-UTC:A0,A1,T,W13LEAPSECONDSENDOFHEADER7053315944.0-.506662763655D-04-.322870619129D-10.000000000000D+00.160000000000D+02.546250000000D+02.475948396590D-08.264564885844D+01.275671482086D-05.130038867937D-01.986270606518D-05.515368780136D+04.352784000000D+06.132247805595D-06.106666591480D+01-.139698386192D-06.936272702648D+00.172125000000D+03-.180705826076D+01-.782318300983D-08-.250010413937D-09.100000000000D+01.131200000000D+04.000000000000D+00.240000000000D+01.000000000000D+00-.232830643654D-08.160000000000D+02.348570000000D+06.400000000000D+018053315944.0-.226236879826D-04-.909494701773D-12.000000000000D+00.223000000000D+03-.296875000000D+02.451125934063D-08.590526055701D+00,.,20,2.10N:GPSNAVDATARINEXVERSION/TYPE/RINEX导航数据teqc2002Mar14ACSOperations2004010101:06:55UTCPGM/RUNBY/DATEHP-UX10.20|PA-RISC|ccA.10.32.03|=+|=|COMMENTENDOFHEADER4031231235944.0-3.471504896879D-05-7.048583938740D-120.000000000000D+00卫星钟参考时刻卫星钟差改正参数7.500000000000D+013.850000000000D+014.748054918403D-092.163259075372D+00IODECRSNM02.173706889153D-066.642933003604D-034.539266228676D-065.153756921768D+03CUCECUSSQRTA3.455840000000D+05-4.470348358154D-08-2.730536492548D+001.508742570877D-07TOECICCIS9.621750014223D-012.946562500000D+02-1.184847400736D-01-8.303203004591D-09I0CRC(dot)-9.000374901741D-110.000000000000D+001.251000000000D+030.000000000000D+00(idot)GPS周2.000000000000D+000.000000000000D+00-6.053596735001D-097.500000000000D+01卫星精度卫星健康状况TGDIDOC3.455400000000D+054.000000000000D+00,4.1.5Rinex导航文件内容,.,21,4.2GPS卫星信号,GPS卫星播发的三种信号,数据码，称D码，也称基带信号,测距码，包括C/A码，P码或Y码,载波信号：L1和L2（L5）,GPS卫星播发的信号的特点：,能够保密通讯，能够抗干扰,能对各卫星发射的信号区分选择,能够精密定位和实时导航,.,22,4.2.1卫星信号的基本概念,码的概念：利用二进制0或者1排列组合表示各种信息的二进制数据序列称为码,随机码的概念：假设一组码序列u(t)，对于任意时刻t，码元的取值为0或者1是完全随机的，两种状态的概率是50，这种完全无规律的码序列称为随机码序列,随机码的特点：它是一种非周期序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的。,.,23,伪随机噪声码虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了实际的应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(PseudoRandomNoisePRN)，简称伪随机码或伪码。不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的，可以容易地复制。,4.2.2伪随机码,.,24,伪随机码的产生：由“多极反馈移位寄存器”的装置产生，移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置“l”脉冲。特性：伪随机码既只有与随机码相类似的良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。这样，用户接收机便可容易地复制卫星所发射的伪随机码，以便通过接收码与复制码的比较，可准确地测定其间的时间延迟。,4.2.2伪随机码,.,25,四级反馈移位寄存器示意图,.,26,.,27,上述四级反馈移位寄存器所产生周期最长的二进制序列称为m序列，是一个码长包含有15个码元的周期性序列。特点：1）r级移位寄存器产生的m序列的周期：T=2）m序列的一个周期中，码元1的个数比码元0的个数多一个3）m序列的自相关函数图具有周期性4）互相关函数随着r级数的增加迅速减小,4.2.2伪随机码,.,28,4.2.3GPS卫星信号,1、两种载波在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPS使用两种载波：L1载波：fL1=154f0=1575.42MHz,波长1=19.032cm,L2载波：fL2=120f0=1227.6MHz,波长2=24.42cm。选择这两个载波的目的是：测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。,.,29,1）产生方式C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器，分别产生序列G1（t）和G2（t）。G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与G2（t）平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码。,2C/A码的产生,.,30,2）C/A码特点CA码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获CA码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对CA码逐个进行搜索。因为CA码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约205秒便可达到目的。由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的CA码所提供的信息，又可以方便地捕获GPS的P码。所以通常C/A也称为捕获码。3）C/A码精度CA码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1101100，则这时相应的测距误差可达29329m。由于其精度较低，所以CA码也称为粗码。,.,31,GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的。调制码幅值只取0或1。如果当码值取0时，对应的码状态取为+1，而码值取1，对应的码状态为-1位，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波和相应的码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变180。所以当码值从0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变180。这时的载波信号实现了调制码的相位调制（见图4-4a）。,4）测距码的调制,4.2.3GPS卫星信号,.,32,测距码测距原理,.,33,4P码1、产生方式P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。2、P码精度由于P码的码元宽度为CA码的110，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l10l100，则由此引起的相应距离误差约为293-029m，仅为CA码的110。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。3、P码特点根据美国国防部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。,.,34,数据码即为4.1节中的导航电文。根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号。,3、数据码,4.2.3GPS卫星信号,.,35,从图上看出，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率f0(A点)产生的，其中包括：载波L1(B点)，L2（C点），粗测距码C/A（D点），精测距码P（F点）和数据码（G点）。经卫星发射天线（H点）发射出去。发射的信号分量包括：L1-C/A（J点），L1-P信号（K点），L2-P信号（L点）。,4.2.3GPS卫星信号,.,36,4.2.4GPS卫星信号的解调,1同步复制码相乘技术接收到的卫星信号与接收机复制的码对准后，将两码相乘可以去掉卫星信号中的伪随机码而恢复载波条件：先要了解卫星测距码的结构2平方解调技术对接收的卫星信号进行平方处理，获取载波相位缺点：测距码和导航电文丢失,.,37,4.3GPS卫星位置的计算（1）,1、升交点经度的计算1）观测时升交点经度：,.,38,.,39,4.3GPS卫星位置的计算（2）,2）以参考历元计算升交点经度：=oe+(dot)(t-toe),.,40,4.3GPS卫星位置的计算（3）,3）GAST恒星时角的计算与参考时间的赤经的计算：,其中：t0为一周开始的GPS时。,.,41,4.3GPS卫星位置的计算（4）,将上几式代入下式,.,42,4.3GPS卫星位置的计算（5）在用GPS信号进行导航定位时，为了解算用户在地心固定坐标系中的位置，需要联合使用接收机所测得的站星距离和卫星在同一坐标系中的坐标，后者是根据卫星电文所提供的参数，按一定的计算公式计算得到：1计算卫星运行的平均角速度n卫星运行的平均角速度:n=n0+nGM=398600.5(KM)3/s2;、n均从卫星导航电文中获得,.,43,.,44,2、计算归化时间tk计算值GPS卫星的轨道参数是相对于参考时间而言的，因此，某观测时刻t归化到GPS时系则为：t=t-tt=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2tk=t-toea0、a1、a2、toc、toe均从卫星导航电文中获得式中tk称作相对于参考时刻toe的归化时间，但应计及一个星期（604800s）的开始或结束，亦即当tk302400s时，则应减去604800s，当tk-302400s时，tk应加上604800s。,.,45,3计算观测瞬间的卫星平近点角卫星电文巳给出参考时刻的平近点角M0,故知Mk=M0+ntk4计算偏近点角Ek根据卫星电文已给出的偏心率es和算得的Ms，可知Ek=Mk+es*sinEk(Mk、Ek,以弧度计)上列开普勒方程可用迭代法进行解算，即先令Ek=Mk然后带入。因为GPS卫星轨道的偏心率es约为0.01左右，通常进行两次迭代计算便可求得偏近点角Es。5、计算真近点角VkcosVk(cosEk-es)(1-escosEk)sinVk(sinEk)(1-escosEk),.,46,6计算升交距角kk=Vk+式中为卫星电文给出的近地点角距。7、计算摄动改正项u、r、iu=CUCCOS(2k)+CUSSIN(2k)r=CRCCOS(2k)+CRSSIN(2k)i=CICCOS(2k)+CISSIN(2k)8、计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk、和轨道倾角Ikukk+urk=a(1-escosEk)+r,.,47,.,48,9计算卫星在轨道平面上的位置在轨道平面直角坐标系(X轴指向升交点)中，卫星的位置是:xk=rkcosukyk=rksinuk10、计算观测时刻的升交点经度k观测时刻的升交点经度k为该时刻升交点赤经(春分点和升交点之间的角距)与格林尼治视恒星时GAST(春分点和格林尼治起始子午线之间的角距)之差为了根据上述预报的卫星星历参数，计算卫星在协议地球坐标系中的位置，应当知道卫星升交点在观测历元t的经度。如果取：为观测历元t的升交点赤经，GAST为观测历元t时春分点的格林尼治恒星时角，则可以写出以下简单关系：k=-GAST(423),.,49,=oe+tk(4-24)GAST=GASTw+et(4-25)由24、25式得：k=0+（-e)tk-etoe(4-27)式中：0=oe-GASTw,0、toe的值可从卫星电文中获取;e=7.2921156710-5rad/s为地球自转的速率,.,50,11、计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换，可得出卫星在地心固定坐标系中的三维坐标：,（4-28）,.,51,(4-29),12.卫星在协议地球坐标系中的坐标计算考虑极移的影响，卫星在协议地球坐标系中的坐标为:,.,52,在实际GPS计算中，需要多次计算卫星的位置和速度，如果用上述的方法，需要占用较多的内存空间和计算时间，常将卫星星历用一个时间多项式系数来表示，在计算卫星位置的时候仅仅调用多项式的系数就可以了。在各种多项式中，切贝雪付多项式的拟合效果最佳，卫星的运动速度和加速度也可以用类似的方法计算。,软件中星历的处理,.,53,切贝雪夫多项式拟合轨道步骤,星历时间,时间的变换,拟合的多项式,切贝雪夫递推式,.,54,IGS简介,.,55,IGS连续跟踪站分布,.,56,IGS提供的产品,.,57,.,58,4.4.1GPS接收机的分类1.按接收机的用途分类可分为：(1)导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为25m,有SA影响时为100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。,4.4GPS接收机基本工作原理,.,59,(2)测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。,.,60,(1)单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。(2)双频接收机双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。3.按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：(1)多通道接收机(2)序贯通道接收机(3)多路多用通道接收机,2.按接收机的载波频率分类,.,61,4.按接收机工作原理分类,(1)码相关型接收机码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。(2)平方型接收机平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。(3)混合型接收机这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。(4)干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。,.,62,4.4.2GPS接收机的组成及工作原理,GPS接收机主要由1、GPS接收机天线单元；2、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。1.GPS接收机天线GPS接收机天线有下列几种类型：(1)单板天线这种天线结构简单、体积较小，需要安装在一块基板上，属单频天线。(2)四螺旋形天线四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成，底部有一块金属掏板。这种天线频带宽，全圆极化性能好，常用作导航型接收机天线。,.,63,(3)微带天线,见图4-